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1、高三物理基本粒子教案31第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化学习目标学问脉络1.知道实物粒子具有波动性，会计算物质波的波长，知道电子云，初步了解不确定性关系(重点、难点)2.初步了解粒子物理学的基础学问(重点)3.初步了解恒星的演化(重点)4.了解人类相识世界的发展性，体会人类对世界的探究是不断深化的.德布罗意假设及其试验探究先填空1德布罗意波德布罗意提出实物粒子也具有波动性称这种波为物质波或德布罗意波2物质波的波长、频率与粒子能量、动量的关系(1)粒子能量E与相应波的频率之间的关系为Eh.(2)动量p与相应波长之间的关系
2、为ph.3物质波的试验验证(1)1927年，戴维孙和革末通过试验首次发觉了电子的衍射现象(2)1927年，汤姆孙用试验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生衍射现象，也证明了电子的波动性(3)1960年，约恩孙干脆做了电子双缝干涉试验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片再推断1电子不但具有粒子性也具有波动性()2物质波的波长由粒子的大小确定()3物质波的波长和粒子运动的动量有关()后思索运动着的宏观物体具有波动性，为什么我们很难视察到宏观物体的波动性？【提示】由ph得，hp，宏观物体的动量比微观粒子的动量大得多，运动着的宏观物体的波长都很短，而波长越长波动性越明显，所以我们很难视察到宏观
3、物体的波动性核心点击1任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以视察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的原因2粒子在空间各处出现的几率受统计规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波3德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了全部的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波1(多选)以下说法正确的是()A宏观粒子也具有波动性B抖动细绳一端，绳上的波就是物质波C物质波也是一种概率波D物质波就是光波【解析】任何物体都具有波动性，故A正确对宏观物体而言，其波动性难以观测，我们所看到的绳
4、波是机械波，不是物质波，故B错误物质波与光波一样，也是一种概率波，即粒子在各点出现的概率遵循波动规律，但物质波不是光波，故C正确，D错误【答案】AC2假如一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的_也相等【解析】由hp可知，假如一个电子和一个中子的德布罗意波长相等，则它们的动量p相等【答案】动量3质量为10g、速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波长是多少？为什么我们无法视察出其波动性？【解析】子弹在空中飞行时的动量pmv10103300kgm/s3kgm/s子弹的德布罗意波长为hp6.6310343m2.211034m由于子弹的德布罗意波长极短，故无法视察到其波动性【答案】2
5、.211034m由于子弹的德布罗意波长极短，无法视察到其波动性有关德布罗意波计算的一般方法(1)计算物体的速度，再计算其动量假如知道物体动能也可以干脆用p2mEk计算其动量(2)依据hp计算德布罗意波长(3)须要留意的是：德布罗意波长一般都很短，比一般的光波波长还要短，可以依据结果的数量级大致推断结果是否合理(4)宏观物体的波长小到可以忽视，其波动性很不明显不确定性关系及电子云先填空1在微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性，不能同时测量2不确定性关系：xph4.式中，x为位置的不确定范围，p为动量的不确定范围，h为普朗克常量3此式表明，不能同时精确测定一个微观粒子的位置和动量4电子云(1)
6、定义在原子核四周用点的疏密表示的电子出现的概率分布(2)电子的分布某一空间范围内电子出现概率大的地方点密，电子出现概率小的地方点疏电子云反映了原子核外电子位置的可能性再推断1无论宏观世界还是微观世界，粒子的位置都是确定的()2我们可以依据电子的运动轨迹推断电子的出现位置()3微观世界中不行以同时测量粒子的动量和位置()后思索在微观物理学中，我们不行能同时精确地知道某个粒子的位置和动量，那么粒子出现的位置是否就是无规律可循的？【提示】粒子出现的位置还是有规律可循的，那就是统计规律，比如干涉、衍射的亮斑位置就是粒子出现概率大的位置核心点击1粒子位置的不确定性：单缝衍射现象中，入射的粒子有确定的动量
7、，但它们可以处于挡板左侧的任何位置，也就是说，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的2粒子动量的不确定性(1)微观粒子具有波动性，会发生衍射大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动，而在经过狭缝之后，有些粒子跑到投影位置以外这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量(2)由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性，不确定量的大小可以由中心亮条纹的宽度来衡量3位置和动量的不确定性关系：xph4由xph4可以知道，在微观领域，要精确地确定粒子的位置，动量的不确定性就更大；反之，要精确地确定粒子的动量，那么位置的不确定性就更大4微观粒子的运动没有特定的轨道：由不确定关系
8、xph4可知，微观粒子的位置和动量是不能同时被确定的，这也就确定了不能用“轨迹”的观点来描述粒子的运动5经典物理和微观物理的区分(1)在经典物理学中，可以同时用位置和动量精确地描述质点的运动，假如知道质点的加速度，还可以预言质点在以后随意时刻的位置和动量，从而描绘它的运动轨迹(2)在微观物理学中，不行能同时精确地知道粒子的位置和动量因而也就不行能用“轨迹”来描述粒子的运动但是，我们可以精确地知道大量粒子运动时的统计规律4(多选)关于不确定性关系xph4有以下几种理解，正确的是()【导学号：64772067】A微观粒子的动量不行确定B微观粒子的位置不行确定C微观粒子的动量和位置不行同时确定D不确
9、定性关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于宏观物体【解析】由xph4可知，当粒子的位置不确定性小时，粒子动量的不确定性大；反之，当粒子的位置不确定性大时，粒子动量的不确定性小故不能同时测量粒子的位置和动量，故A、B错，C对不确定性关系是自然界中的普遍规律，对微观粒子的影响显著，对宏观物体的影响可忽视，故D正确【答案】CD5已知h45.31035Js，试求下列状况中速度测定的不确定量(1)一个球的质量m1.0kg，测定其位置的不确定量为106m.(2)电子的质量m9.01031kg，测定其位置的不确定量为1010m(即在原子的数量级)【解析】(1)m1.0kg，x1106m，由xph4，p
10、mv知v1h41xm5.310351061.0m/s5.31029m/s.(2)me9.01031kg，x21010mv2h4x2me5.3103510109.01031m/s5.89105m/s.【答案】(1)5.31029m/s(2)5.89105m/s对不确定性关系的三点提示(1)在宏观世界中物体的质量与微观世界中粒子的质量相比较，相差许多倍(2)依据计算的数据可以看出，宏观世界中的物体的质量较大，位置和速度的不确定量较小，可同时较精确地测出物体的位置和动量(3)在微观世界中粒子的质量较小，不能同时精确地测出粒子的位置和动量，不能精确把握粒子的运动状态“基本粒子”与恒星的演化先填空1对粒
11、子的相识过程(1)“基本粒子”：电子、质子和中子曾认为它们是组成物质的基本粒子，后来又相识到“基本粒子”的困难内部结构(2)新粒子：1932年发觉了正电子，1937年发觉了子，1947年发觉k介子和介子及以后发觉的超子等2粒子的分类：已发觉的粒子分为媒介子、轻子和强子三类3影响“粒子”的相互作用力引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用4夸克模型(1)夸克：强子是由夸克构成的(2)分类：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克；它们所带的电荷是电子或质子所带电荷的2/3或1/3.5恒星的演化(1)恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝合起先发光形成恒星(2)恒星的归宿：
12、聚变反应层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生，恒星的中心密度达到极大，在强大的引力下形成白矮星、中子星或黑洞(3)恒星的演化过程：原恒星主序星(现在太阳正处于此阶段)红巨星或超新星白矮星、中子星或黑洞再推断1强子是参加强相互作用的粒子()2目前发觉的轻子有8种()3宇宙将始终会膨胀下去()后思索星云是怎样形成恒星的？恒星形成时是怎样发光的？恒星在哪个阶段停留时间最长？【提示】星云在外界影响下聚集，某些区域在引力作用下起先向内收缩，密度不断增加，星云团中引力势能转化为内能，温度上升当温度上升到肯定程度时，起先发光，形成原恒星恒星在主序星阶段停留时间最长核心点击1新粒子的发觉及特点发觉
13、时间1932年1937年1947年20世纪60年头后新粒子反粒子子K介子与介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与核子之间其质量比质子大2.粒子的分类分类参加的相互作用发觉的粒子备注强子参加强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子轻子不参加强相互作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子未发觉内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用3.夸克的分类夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电
14、子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克4两点提示(1)质子是最早发觉的强子，电子是最早发觉的轻子，子的质量比核子的质量大，但力的性质确定了它属于轻子(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消逝而转化成其他的粒子6(多选)关于粒子，下列说法正确的是()A电子、质子和中子是组成物质的不行再分的最基本的粒子B强子中也有不带电的粒子C夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A错误，B正确；夸克模
15、型是探讨强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为23e和e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确【答案】BD7在衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出中微子的性质非常特殊，因此在试验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建立了一个由大水槽和探测器组成的试验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证明了中微子的存在(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子(01e)，即中微子11H10n01e.可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是_(填写选项前的字母)A0和0B0和1C1和0D1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后
16、，可以转变为两个光子()，即01e01e2.已知正电子和电子的质量都为9.11031kg，反应中产生的每个光子的能量约为_J正电子与电子相遇不行能只转变为一个光子，缘由是_(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A正确(2)产生的能量是由于质量亏损两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则Emc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E28.21014J正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故假如只产生一个光子是不行能的，因为此过程遵循动量守恒定律
17、(3)物质波的波长为hp，要比较波长须要将中子和电子的动量用动能表示出来即p2mEk，因为mnme，所以pnpe，故ne.【答案】见解析处理新粒子问题的方法核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应娴熟地驾驭物理学问和物理规律，并敏捷应用学业分层测评(十五)(建议用时：45分钟)学业达标1下列说法中正确的是()A夸克模型说明电子电荷量是最小的电荷单元B目前已经发觉了自由态的夸克C目前发觉的夸克有8种D每种夸克都有对应的反夸克【解析】夸克模型指出目前发觉了6种夸克，每种夸克都有对应的反夸克，所以C错误，D正确；夸克所带电
18、荷量小于电子电荷量，但还没有发觉自由态的夸克，这就是夸克的“禁闭”，所以A、B错【答案】D2关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是()A宇宙已经停止演化B恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定C当温度达到肯定值时，恒星内发生氦聚变，亮度减弱D恒星最终都会演化为黑洞【解析】目前宇宙的演化仍在进行，A错恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B对恒星内由氢聚变转变为氦聚变时，亮度增加，C错依据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，D错【答案】B3(多选)关于物质波，下列相识正确的是()A任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波BX射线的衍射试验，证明了物质波假设是正确的C电子
19、的衍射试验，证明了物质波假设是正确的D宏观物质尽管可以看成物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象【解析】据德布罗意物质波理论，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，可见，A选项正确；由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射现象，并不能证明物质波理论的正确性，故B选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，故C选项正确；由电子穿过铝箔的衍射试验知，少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的，无规律的，但大量电子穿过铝箔后所落的位置呈现出衍射图样，即大量电子的行为表现出电子的波动性，干涉、衍射是波的特有现象
20、，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故D选项错误【答案】AC4(多选)电子的运动受波动性的支配，对氢原子的核外电子，下列说法正确的是()【导学号：64772068】A电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的B电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置C电子绕核运动时电子边运动边振动D电子在核外的位置是不确定的【解析】依据电子的波粒二象性，其在某时刻出现的位置不能确定，但其在某点出现的概率受波动规律支配，所以A、B、D正确，C错误【答案】ABD5(多选)光通过单缝所发生的现象，用位置和动量的不确定性关系的观点加以说明，正确的是()A单缝宽，光是沿直线传播，这是因为单缝宽，位置不确定量x大，动量不确
21、定量p小，可以忽视B当能发生衍射现象时，动量不确定量p就不能忽视C单缝越窄，中心亮纹越宽，是因为位置不确定量越小，动量不确定量越大的原因D当发生明显衍射现象时，位置的不确定量x不能忽视【解析】光在传播过程中的位置和动量的不确定关系为xph4.发生衍射时x0，所以p不能忽视，故B对缝越宽p越小，缝越窄p越大，所以A、C正确【答案】ABC6(多选)为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉试验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是()A使光子一个一个地通过双缝干涉试验装置的狭缝，假如时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样B使光子一个一个地通过双缝干涉试验装置的狭缝，假如时间足够长，底片上
22、将出现不太清楚的双缝干涉图样C大量光子的运动规律显示出光的粒子性D个别光子的运动显示出光的粒子性【解析】单个光子运动具有不确定性，大量光子落点的概率分布遵循肯定规律，显示出光的波动性使光子一个一个地通过双缝，假如时间足够长，底片上会出现明显的干涉图样，A正确，B、C错误；由光的波粒二象性知，个别光子的运动显示出光的粒子性，D正确【答案】AD7目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的，u夸克带电荷量为23e，d夸克的带电荷量为13e，e为元电荷，那么质子是由_个u夸克和_个d夸克组成的，中子是由_个u夸克和_个d夸克组成的【解析】质子带电量为e，应由2个u夸克和1个d夸
23、克组成，中子带电量为0，应由1个u夸克和2个d夸克组成【答案】21128估算运动员跑步时的德布罗意波长为什么我们视察不到运动员的波动性？【解析】设运动员的质量m60kg，运动员跑步时速度约为v10m/s，则其德布罗意波长为：hphmv6.6310346010m1.11036m.这个波长极短，因而视察不到运动员的波动性【答案】见解析实力提升9(多选)下列说法中正确的是()A光的波粒二象性，就是由牛顿的微粒说和惠更斯的波动说组成的B光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说C光子说并没有否定光的电磁说，在光子能量h中，频率表示波的特征，表示粒子的特征D光波和物质波都是概率波【解析】牛顿的微粒说认
24、为光是由物质微粒组成的，惠更斯的波动说认为光是机械波，都是从宏观现象中形成的观念，故A错误；光子说并没有否定光的电磁说，光子能量公式h，体现了其粒子性和波动性，B错误，C正确；光波和物质波都是概率波，D正确【答案】CD10(1)如图531所示是一个粒子源，产生某种粒子，在其正前方安装只有两条狭缝的挡板，粒子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光那么在荧光屏上将看到_图531(2)一电子具有200m/s的速率，动量的不确定范围是0.01%，我们确定该电子位置时，有多大的不确定范围？(电子质量为9.11031kg)【导学号：64772069】【解析】(1)由于粒子源产生的粒子是微观粒子，它的运动受
25、波动性支配，对大量粒子运动到达屏上某点的概率，可以用波的特征进行描述，即产生双缝干涉，在屏上将看到干涉条纹(2)由不确定性关系xph4得电子位置的不确定范围xh4p6.63103443.149.110312000.01%m2.90103m.【答案】(1)明暗相间的干涉条纹(2)2.90103m11如图532所示为示波管示意图，电子的加速电压U104V，打在荧光屏上电子的位置确定在0.1mm范围内，可以认为令人满足，则电子的速度是否可以完全确定？是否可以用经典力学来处理？电子质量m9.11031kg.图532【解析】x104m，由xph4得，动量的不确定量最小值约为p51031kgm/s，其速度
26、不确定量最小值v0.55m/s.12mv2eU1.61019104J1.61015J，v6107m/s，v远小于v，电子的速度可以完全确定，可以用经典力学来处理【答案】可以完全确定可以用经典力学来处理高三物理实物粒子的波粒二象性教案34 第三节实物粒子的波粒二象性三维教学目标1、学问与技能（1）了解光既具有波动性，又具有粒子性；（2）知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性；（3）知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。（4）了解不确定关系的概念和相关计算；2、过程与方法（1）了解物理真知形成的历史过程；（2）了解物理学探讨的基础是试验事实以及试验对于物理探讨的重要性；（3）知道某一物质在不同环境下所
27、表现的不同规律特性。3、情感、看法与价值观（1）通过学生阅读和老师介绍讲解，使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就，须要经过一个较长的历史发展过程，不断得到订正与修正；（2）通过相关理论的试验验证，使学生逐步形成严谨求实的科学看法；（3）通过了解电子衍射试验，使学生了解创建条件来进行有关物理试验的方法。教学重点：实物粒子和光子一样具有波粒二象性，德布罗意波长和粒子动量关系。教学难点：实物粒子的波动性的理解。教学方法：学生阅读探讨沟通老师讲解归纳总结。教学用具：课件：PP演示文稿（科学家介绍，本节学问结构）。多媒体教学设备（一）引入新课提问：前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，那么我们
28、原委怎样来相识光的本质和把握其特性呢？（光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性，分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等试验事实）。我们不能片面地相识事物，能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗？（二）进行新课1、光的波粒二象性讲解并描述光的波粒二象性，进行归纳整理。（1）我们所学的大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现，光子的行为听从统计规律。（2）光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，物理学中把光波叫做概率波。2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。提问：作为物质的实物粒子(如电子、原
29、子、分子等)是否也具有波动性呢？3、粒子的波动性提问：谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子？只是因为他大胆吗？（法国科学家德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的胜利，大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子。）（1）德布罗意波：实物粒子也具有波动性，这种波称之为物质波，也叫德布罗意波。（2）物质波波长：提问：各物理量的意义？（为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量）阅读课本有关内容，为什么德布罗意波观点很难通过试验验证？又是在怎样的条件下使实物粒子的波动性得到了验证？4、物质波的试验验证提问：粒子波动性难以得到验证的缘由？（宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找到能
30、发生衍射的障碍物，所以我们并不认为它有波动性，作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为1010m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事）例题：某电视显像管中电子的运动速度是4.0107m/s；质量为10g的一颗子弹的运动速度是200m/s。分别计算它们的德布罗意波长。（依据公式计算得1.810-11m和3.310-34m）电子波动性的发觉者戴维森和小汤姆逊电子波动性的发觉,使得德布罗意由于提出实物粒子具有波动性这一假设得以证明，并因此而获得1929年诺贝尔物理学奖，而戴维森和小汤姆逊由于发觉了电子的波动性也同获1937年诺贝尔物理学奖。阅读有关物理学历史资料，了解物理学有关学问的形成建立和发展的真
31、是过程。（应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增加了劝服力，同时也能对学生进行发放教化，有利于培育学生的科学看法和科学精神，激发学生的探究精神）电子衍射试验：1927年，两位美国物理学家使电子束投射到镍的晶体上，得到了电子束的衍射图案，从而证明了德布罗意的假设。除了电子以外，后来还接连证明了质子、中子以及原子、分子的波动性。提问：衍射现象对高辨别率的显微镜有影响否？如何改进？（显微镜的辨别本事）5、德布罗意波的统计说明1926年，德国物理学玻恩（Born，1882-1972）提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有肯定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却听从肯定的统计规律。6、
32、经典波动与德布罗意波（物质波）的区分经典的波动（如机械波、电磁波等）是可以测出的、实际存在于空间的一种波动。而德布罗意波（物质波）是一种概率波。简洁的说，是为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。7、不确定度关系（uncertaintyrelatoin）经典力学：运动物体有完全确定的位置、动量、能量等。微观粒子：位置、动量等具有不确定量（概率）。（1）电子衍射中的不确定度如图所示，一束电子以速度v沿oy轴射向狭缝。电子在中心主极大区域出现的几率最大。在经典力学中，粒子（质点）的运动状态用位置坐标和动量来描述，而且这两个量都可以同时精确地予以测定。然而，对于具有二象性的微观粒子来说，是否也能用
33、确定的坐标和确定的动量来描述呢？ 下面我们以电子通过单缝衍射为例来进行探讨。设有一束电子沿oy轴射向屏AB上缝宽为a的狭缝，于是，在照相底片CD上，可以视察到如下图所示的衍射图样。假如我们仍用坐标x和动量p来描述这一电子的运动状态，那么，我们不禁要问：一个电子通过狭缝的瞬时，它是从缝上哪一点通过的呢?也就是说，电子通过狭缝的瞬时，其坐标x为多少?明显，这一问题，我们无法精确地回答，因为此时该电子原委在缝上哪一点通过是无法确定的，即我们不能精确地确定该电子通过狭缝时的坐标。探讨表明：对于第一衍射微小，式中为电子的德布罗意波长。电子的位置和动量分别用x和p来表示。电子通过狭缝的瞬间，其位置在x方向
34、上的不确定量为，同一时刻，由于衍射效应，粒子的速度方向有了变更，缝越小，动量的重量px改变越大。分析计算可得：式中h为普朗克常量。这就是闻名的不确定性关系，简称不确定关系。上式表明：很多相同粒子在相同条件下试验，粒子在同一时刻并不处在同一位置。用单个粒子重复，粒子也不在同一位置出现。 例题解析：例1：一颗质量为10g的子弹，具有200ms-1的速率，若其动量的不确定范围为动量的0.01%(这在宏观范围是非常精确的了)，则该子弹位置的不确定量范围为多大?解：子弹的动量动量的不确定范围由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围我们知道，原子核的数量级为10-15m，所以，子弹位置的不确定范围是微乎其微
35、的。可见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。例2：一电子具有200m/s的速率，动量的不确定范围为动量的0.01%(这已经足够精确了)，则该电子的位置不确定范围有多大?解:电子的动量为：动量的不确定范围由不确定关系式，得电子位置的不确定范围我们知道原子大小的数量级为10-10m，电子则更小。在这种状况下，电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍，可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有实际意义。8、微观粒子和宏观物体的特性对比 宏观物体微观粒子具有确定的坐标和动量，可用牛顿力学描述。没有确定的坐标和动量，需用量子力学描述。有连续可测的运动轨道，可追踪各个
36、物体的运动轨迹。有概率分布特性，不行能辨别出各个粒子的轨迹。体系能量可以为随意的、连续改变的数值。能量量子化。不确定度关系无实际意义遵循不确定度关系9、不确定关系的物理意义和微观本质（1）物理意义：微观粒子不行能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量越小，动量的不确定量就越大，反之亦然。（2）微观本质：是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必定结果。不确定关系式表明：微观粒子的坐标测得愈精确()，动量就愈不精确()；微观粒子的动量测得愈精确()，坐标就愈不精确()。但这里要留意，不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准；也不是说微观粒子的动量测不准；更不是说微观粒子的坐标和动量都
37、测不准；而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准。为什么微观粒子的坐标和动量不能同时测准？这是因为微观粒子的坐标和动量原来就不同时具有确定量。这本质上是微观粒子具有波粒二象性的必定反映。由以上探讨可知，不确定关系是自然界的一条客观规律，不是测量技术和主观实力的问题。不确定关系供应了一个判据：当不确定关系施加的限制可以忽视时，则可以用经典理论来探讨粒子的运动。当不确定关系施加的限制不行以忽视时，那只能用量子力学理论来处理问题。 高三物理教案：带电粒子在复合场中的运动教学设计 一、带点粒子在复合场中的运动本质是力学问题 1、带电粒子在电场、磁场和重力场等共存的复合场中的运动,其受力状况和运动图景都比
38、较困难,但其本质是力学问题,应按力学的基本思路,运用力学的基本规律探讨和解决此类问题。 2、分析带电粒子在复合场中的受力时,要留意各力的特点。如带电粒子无论运动与否,在重力场中所受重力及在匀强电场中所受的电场力均为恒力,它们的做功只与始末位置在重力场中的高度差或在电场中的电势差有关,而与运动路径无关。而带电粒子在磁场中只有运动 (且速度不与磁场平行)时才会受到洛仑兹力,力的大小随速度大小而变,方向始终与速度垂直,故洛仑兹力对运动电荷不做功. 二、带电微粒在重力、电场力、磁场力共同作用下的运动(电场、磁场均为匀强场) 1、带电微粒在三个场共同作用下做匀速圆周运动:必定是电场力和重力平衡,而洛伦兹
39、力充当向心力. 2、带电微粒在三个场共同作用下做直线运动:重力和电场力是恒力,它们的合力也是恒力。 当带电微粒的速度平行于磁场时,不受洛伦兹力,因此可能做匀速运动也可能做匀变速运动; 当带电微粒的速度垂直于磁场时,肯定做匀速运动。 3、与力学紧密结合的综合题,要仔细分析受力状况和运动状况(包括速度和加速度)。必要时加以探讨。 三、带电粒子在重力场、匀强电场、匀强磁场的复合场中的运动的基本模型有: 1、匀速直线运动。自由的带点粒子在复合场中作的直线运动通常都是匀速直线运动,除非粒子沿磁场方向飞入不受洛仑兹力作用。因为重力、电场力均为恒力,若两者的合力不能与洛仑兹力平衡,则带点粒子速度的大小和方向
40、将会变更,不能维持直线运动了。 2、匀速圆周运动。自由的带电粒子在复合场中作匀速圆周运动时,必定满意电场力和重力平衡,则当粒子速度方向与磁场方向垂直时,洛仑兹力供应向心力,使带电粒子作匀速圆周运动。 3、较困难的曲线运动。在复合场中,若带电粒子所受合外力不断改变且与粒子速度不在始终线上时,带电粒子作非匀变速曲线运动。此类问题,通常用能量观点分析解决,带电粒子在复合场中若有轨道约束,或匀强电场或匀速磁场随时间发生周期性改变等缘由,使粒子的运动更困难,则应视详细状况进行分析。 正确分析带电粒子在复合场中的受力并推断其运动的性质及轨迹是解题的关键,在分析其受力及描述其轨迹时,要有较强的空间想象实力并
41、擅长把空间图形转化为最佳平面视图。当带电粒子在电磁场中作多过程运动时,关键是驾驭基本运动的特点和找寻过程的边界条件. 高三物理教案：物粒子的波粒二象性教学设计 实物粒子的波粒二象性 三维教学目标 1、学问与技能 (1)了解光既具有波动性，又具有粒子性; (2)知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性; (3)知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。 (4)了解不确定关系的概念和相关计算; 2、过程与方法 (1)了解物理真知形成的历史过程; (2)了解物理学探讨的基础是试验事实以及试验对于物理探讨的重要性; (3)知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。 3、情感、看法与价值观 (1)通过学生阅读
42、和老师介绍讲解，使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就，须要经过一个较长的历史发展过程，不断得到订正与修正; (2)通过相关理论的试验验证，使学生逐步形成严谨求实的科学看法; (3)通过了解电子衍射试验，使学生了解创建条件来进行有关物理试验的方法。 教学重点：实物粒子和光子一样具有波粒二象性，德布罗意波长和粒子动量关系。 教学难点：实物粒子的波动性的理解。 教学方法：学生阅读-探讨沟通-老师讲解-归纳总结。 教学用具：课件：PP演示文稿(科学家介绍，本节学问结构)。多媒体教学设备 (一)引入新课 提问：前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，那么我们原委怎样来相识光的本质和把握其特性呢?
43、(光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性，分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等试验事实)。 我们不能片面地相识事物，能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗? (二)进行新课 1、光的波粒二象性 讲解并描述光的波粒二象性，进行归纳整理。 (1)我们所学的大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现，光子的行为听从统计规律。 (2)光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，物理学中把光波叫做概率波。 2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。 = 提问：作为物质的实物粒子(如电子、原子、分子等)是否也
44、具有波动性呢? 3、粒子的波动性 提问：谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子?只是因为他大胆吗?(法国科学家德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的胜利，大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子。) (1)德布罗意波：实物粒子也具有波动性，这种波称之为物质波，也叫德布罗意波。 (2)物质波波长： = 提问：各物理量的意义?( 为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量) 阅读课本有关内容，为什么德布罗意波观点很难通过试验验证?又是在怎样的条件下使实物粒子的波动性得到了验证? 4、物质波的试验验证 提问：粒子波动性难以得到验证的缘由?(宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找
45、到能发生衍射的障碍物，所以我们并不认为它有波动性，作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为10-10m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事) 例题：某电视显像管中电子的运动速度是4.0107m/s;质量为10g的一颗子弹的运动速度是200m/s。分别计算它们的德布罗意波长。(依据公式 计算得1.810-11m和3.310-34m) 电子波动性的发觉者戴维森和小汤姆逊 电子波动性的发觉,使得德布罗意由于提出实物粒子具有波动性这一假设得以证明，并因此而获得1929年诺贝尔物理学奖，而戴维森和小汤姆逊由于发觉了电子的波动性也同获1937年诺贝尔物理学奖。 阅读有关物理学历史资料，了解物理学有关学问的形
46、成建立和发展的真是过程。(应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增加了劝服力，同时也能对学生进行发放教化，有利于培育学生的科学看法和科学精神，激发学生的探究精神) 电子衍射试验：1927年，两位美国物理学家使电子束投射到镍的晶体上，得到了电子束的衍射图案，从而证明了德布罗意的假设。除了电子以外，后来还接连证明了质子、中子以及原子、分子的波动性。 提问：衍射现象对高辨别率的显微镜有影响否?如何改进?(显微镜的辨别本事) 5、德布罗意波的统计说明 1926年，德国物理学玻恩 (Born ， 1882-1972) 提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有肯定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却听从肯定的统计规律。 6、经典波动与德布罗意波(物质波)的区分 经典的波动(如机械波、电磁波等)是可以测出的、实际存在于空间的一种波动。而德布罗意波(物质波)是一种概率波。简洁的说，是为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。 7、不确定度关系(uncertainty relatoin) 经典力学：运动物体有完全确定的位置、动量、能量等。微观粒子：位置、动量等具有不确定量(概率)。 (1)电子衍射中的不